Technologia tarcz TBM – EPB

14:47, 31 lipca 2011

Do wykonania tuneli centralnego odcinka II linii metra w Warszawie użyte zostały 4 maszyny TBM niemieckiej firmy Herrenknecht AG.  Wybór tej właśnie technologii podyktowany był bardzo niskim ryzykiem osiadania oraz dużą kontrolą parametrów projektowych. TBM uniemożliwia rozluźnienie i osiadanie terenu wynikające ze zmniejszonego wydobycia urobku w porównaniu z metodą tradycyjną. Tarcza utrzymuje stateczność przodka oraz nie dopuszcza wpływu ciśnienia gruntu i wód gruntowych do wnętrza budowanego tunelu.

Technika działania tarcz TBM (Tunnel Boring Machine) typu EPB (Earth Pressure Balance – równoważenie ciśnienia gruntu) składa się z dwóch faz: drążenia tunelu oraz układania jego obudowy.

TBM drąży tunel za pomocą obracającej się 2 razy na minutę przedniej tarczy skrawającej, która jest przesuwana do przodu przez siłowniki hydrauliczne. Nacisk tarczy na grunt dochodzi do wartości 3,5 bar. Ostrza, noże i dyski tnące znajdujące się na tarczy drążącej są wykonane ze stali o bardzo wysokiej wytrzymałości, dzięki czemu mogą rozdrabniać każdy napotkany grunt. Za pomocą dysz umieszczonych w przedniej części tarczy maszyna może również wstrzykiwać w grunt wodę, plastyfikatory, pianę lub beton, które w zależności od charakterystyki gruntu zmiękczają go lub zagęszczają. TBM posiada 7 linii pian, w tym 5 umiejscowionych w głowicy. Przygotowywanie podłoża odbywa się na odległości ok. 10 cm od czoła tarczy TBM.

Tarcza  odizolowana jest od wpływu ciśnienia gruntu i wód gruntowych. Urobek gromadzony w komorze urobkowej wytwarza od strony tarczy ciśnienie, które równoważy parcie gruntu i wód gruntowych. Stamtąd, za pomocą przenośnika ślimakowego grunt jest transportowany na taśmociągi. Podajnik ślimakowy jest zasilany przez silniki hydrauliczne o mocy ponad 40 kW.

Po wydrążeniu odpowiedniej odległości tarcza drążąca i przenośnik ślimakowy zatrzymują się, a uruchamia się moduł układający pierścień tunelu. Pierścień składa się z 5 elementów oraz tzw. klinu, który jest mocowany jako ostatni i nadaje konstrukcji szczelność oraz usztywnia tunel. Wykonane ze zbrojonego betonu segmenty są podnoszone i układane za pomocą obracającego się w dwóch kierunkach dźwigu próżniowego (tzw. erektora). Instalowane są one pod osłoną zewnętrznego pancerza tarczy. Każdy prefabrykat układany jest tak, by ściśle przylegał do poprzedniego pierścienia i elementów nowego pierścienia. Przerwa powstająca między zewnętrzną ścianą tunelu a gruntem, jest wypełniana wiążąco-uszczelniającą zaprawą, wstrzykiwaną za pomocą wysokociśnieniowych dysz. Dzięki temu tunel jest szczelny oraz osiągnięta jest niezwykła stabilność gruntu. Po ułożeniu pierścienia maszyna odpycha się od niego i rozpoczyna drążenie kolejnego etapu. Dzięki osłonom wnętrze tarczy jest całkowicie osłonięte przed wpływem nacisku gruntu oraz wód gruntowych.

Na mierzącym 85 metrów zapleczu maszyny znajduje się wiele urządzeń m.in: agregaty prądotwórcze, pompy, skrzynki rozdzielcze, systemy wentylacyjne, laserowe mierniki, pomieszczenia magazynowe, a także urządzenia odpowiadające za dostarczanie elementów tunelu i usuwanie urobku, co zapewnia całkowite zabezpieczenie logistyczne pracy tarczy. Mieści się tam również mostek dowodzenia, gdzie są zbierane i analizowane wszystkie dane i parametry pracy tarczy. Każdy ruch tarczy do przodu powoduje także przesuwanie się zaplecza. Szybkość drążenia tunelu przez TBM to średnio 10-20 m na dobę.

Tarcza TBM EPB zużywa 2,5 MW/h, czyli tyle energii ile w tym samym czasie potrzebuje 15-tysięczne miasto. Główny napęd tarczy TBM to napęd hydrauliczny w postaci 16 par siłowników hydraulicznych. Moc zainstalowana to 1200 kW.  TBM jest także wyposażony w 6 czujników z przodu tarczy. Rejestrują one następujące parametry pracy tarczy:

  • moment skręcający głowicy skrawającej
  • siła naporu siłowników
  • szybkość przesuwania się TBM
  • ciśnienie w komorze roboczej
  • objętość iniektowanej piany w komorze roboczej (używana do kondycjonowania podłoża)
  • objętość zaprawy cementowej iniektowanej za obudowę.

Maszyna skrawająca po uruchomieniu nie zatrzymuje się – pracuje 24 h na dobę. Jedynym warunkiem dla zatrzymania pracy jest problem z napotkanym podłożem lub z samą maszyną czy też wymiana ostrzy tnących. Tarcza TBM jest w pełni zmechanizowana, jednak jej pracę musi nadzorować personel. Do pracy w TBM przewidziano cztery brygady - razem 48 osób. Na każdej zmianie pracuje jedna 12-osobowa załoga, co przekłada się na cztery zmiany na dobę.

Typowy zespół pracowników tunelowych przedstawia się następująco:

  • inżynier zmiany
  • operator TBM (osoba kierująca tarczą TBM, sterująca układem prowadzącym oraz wszystkimi operacjami, kontrolująca przy tym parametry drążenia)
  • operator podłoża (odpowiedzialny za uzupełnianie i stabilizację pierścieni poprzez wypełnianie 15 cm odcinka substancjami wiążąco-uszczelniającymi oraz za nawadnianie podłoża u czoła tarczy)
  • monter obudowy pierścieniowej (odpowiedzialny za układanie i dostarczanie gotowych elementów do złożenia pierścienia)
  • operator zarabiania betonu
  • elektryk (odpowiedzialny za oświetlenie tunelu i maszyny wewnątrz)
  • główny mechanik TBM
  • 2 górników do czyszczenia, konserwacji i przedłużania rurociągów, instalacji oświetleniowej, szyn, kanału wentylacyjnego, etc.
  • osoba na tyle tarczy, tzw. back-up (odpowiedzialna za transport na tyły maszyny oraz wywóz urobku)
  • operator przenośnika ślimakowego
  • 2 operatorów kierujących kolejkami transportowymi.

Parametry TBM

Waga:

  • 55 ton (głowica skrawająca)
  • 615 ton (całość maszyny skrawającej wraz z zapleczem technicznym)

Długość:

  • 97 m (całość maszyny)
  • 12 m (czoło tarczy z komorami głównymi)
  • 85 m (długość zaplecza technicznego)

Średnica tarczy skrawającej:

  • tarcza skrawająca – 6,30 m

Komora sprężonego powietrza

Na powyższej fotografii widać komorę włoskiej maszyny wykonującej linię C metra w Rzymie. Tak samo jak w przypadku warszawskiego super-kreta, składa się ona z dwóch pomieszczeń, gdzie robotnicy przechodzą etapy kompresji i dekompresji. Jest to proces konieczny i ma miejsce odpowiednio przed i po hiperbarycznym oddziaływaniu w komorze roboczej. Rozwiązanie takie stosuje się ostatecznie, np. w przypadku gdy przerwano drążenie i zachodzi potrzeba jego  kontynuowania.

————————————-

TBM-EPB (Tunnel Boring Machine – Earth Pressure Balance Shield)

In order to execute the tunnel of the central section of Metro Line II in Warsaw, there were applied 4 Tunnel Boring Machines (TBM) produced by German company Herrenknecht AG. We decided to choose this technology because of a very low risk of settlements and strict control of design parameters. The TBM prevents the disintegration and settlement of ground resulting from the extraction of muck which is decreased in comparison with a traditional method. The shield keeps the face stable, prevents soil pressure and groundwater from penetrating into the tunnel.

The technology of the TBM EPB can be divided into two stages: tunnel drilling and final lining. The TBM drills by means of a cutter head which turns twice a minute and it is moved forward by hydraulic cylinders. Pressure of the shield on the ground is maximum 3,5 bar. Cutters and disc cutters, which are on the cutter head, are made of high-resistance steel so that they can disintegrate every kind of soil. In the front of the shields, there are nozzles used for injecting water, plasticizers, foam or disruptive which, depending on the type of soil, may soften or compact the soil.

The TBM has 7 lines of foam, and 5 of them are located in the head, 1 on external shield (to lubricate the shields) and the last one directly on chamber to help the screw conveyor during the extraction of the conditioned material.

The subsoil is prepared approx. 10 cm from the front of the TBM.

The shield is insulated from the pressure of soil and ground waters. The muck, which is gathered in the excavation chamber, exerts pressure on the shield which balances the pressure of soil and ground waters. Then, by means of a screw conveyor, the soil is transported to belt conveyors. The screw conveyor is powered by hydraulic motors of 40 kW.

After drilling a proper distance, the shield and screw conveyor are stopped, and the module starts to lay the ring, which will consist of 5 elements plus one, so-called key that is installed as the last element. It makes the tunnel watertight and stiff. Segments, made of reinforced concrete, are lifted and laid by a vacuum lifter (the so-called erector). They are installed under the cover of external lining. Every precast element is laid so that it fits tight to the previous ring and the elements of a new ring. The gap that is between the external wall of the tunnel and ground is filled in with jointing-insulating mortar injected by high-pressure nozzles. As a result, the tunnel is tight and the stability of ground is very high. After laying the ring, the machine pushes off and starts to drill the next section. Thanks to these segments, the interior of the shield is completely protected from the pressure of ground waters and soil.

The 85-meter back-up system consists of many devices such as: power generators, pumps, switchgears, ventilation systems, laser meters, storage room as well as devices for delivering the tunnel elements and transporting the muck, which provides full logistic support to the TBM. Here you can find also a control cabin in which there are collected and analysed all the data and parameters of the shield. Whenever the shield moves forward, the back-up system moves as well. The average speed of drilling the tunnel by the TBM is 10-20 m per day.

The TBM EPB consumes 2,5 MW/h, so the same amount of energy that is consumed by 15-thousand cities. The main drive of the TBM is a hydraulic drive system which consists of 16 pairs of hydraulic cylinders. Power is 1200 kW. The TBM is also equipped with 6 earth sensors at the front of the shield that register the following parameters of the shield:

  • torque of the cutter head
  • thrust of cylinders
  • speed of the TBM operation
  • pressure in a working chamber
  • volume of the foam injected in the working chamber (used for soil conditioning)
  • volume of cement mortar injected behind the lining

Machine does not stop – it works 24 hours a day. The only reason because of which the machine can be stopped could be the problem with soil, machine itself or change of the cutters. The TBM is fully mechanized, but the operation has to be supervised by personnel. There are four working teams – together 48 persons. On every shift, there is one team of 12 persons and that makes four shifts per day.

A typical team of tunnel workers consists of:

  • Shift Engineer
  • the TBM operator (person driving the TBM, steering the control system and all operations and controlling the parameters of drilling)
  • injection operator (responsible for completing and stabilizing the rings by filling 15 cm section with jointing-insulating substances and irrigating the soil at the front of the shield)
  • erector operator (responsible for laying and delivering the ready elements for the ring installation) and helper (in charge also to clean in the belly of the tailskin)
  • electrician (responsible for the lighting of the tunnel and inside the machine)
  • mechanic (responsible for maintenance on TBM and backup)
  • 2 workers/miners for cleaning, maintaining and extending pipelines, lighting installations, rails, ventilation shaft, etc.
  • Worker/miner for extension of conveyor belt
  • 2 operators of multicars

Parameters of the TBM

Weight:

  • 55 tons (cutter head)
  • 615 tons (total machine with the technical back-up system)

Length:

  • 97 m (total machine)
  • 12 m (the front of the shield including the main chambers)
  • 85 m (technical back-up system)

Diameter of the cutter head:

  • cutter head – 6,30 m

Chamber of compressed air

In picture you can see the chamber of the Italian machine executing Line C in Rome. Just like Warsaw super-mole, it consists of two rooms in which the workers undergo the stages of compression and decompression. It is a necessary process, and it is carried out before and after spending some time in the working chamber. This solution is applied as a last resort, for example, if the drilling was stopped, and it is necessary to restart it.

Zobacz także / See also:
System monitoringu geodezyjnego
Projekt TBM i System Rozpowszechniania Danych Monitoringu
Montaż TBM

(for English version scroll down)

Oferty pracy

  • Facebook